外部驱动式、贯通轴式和固定轴式直线步进电机的选用

2016-3-4

  一般来说,实现精确线性定位的一个常用方法是将电机(旋转运动)和滑动丝杆副配对制成一套线性定位系统。基于该线性执行机构,可构建许多与之相关的不同结构。这里我们将讨论几种不同的方法,通过滑动丝杆副和步进电机创建线性执行机构。步进电机是运动控制应用中的常用选项,因为操作正确的话,它是不需要位置反馈就可以实现准确定位的经济解决方案。
  直线步进电机有三种常用类型,分别是外部驱动式、贯通轴式和固定轴式。
  一,外部驱动式 见图1


  图1,外部驱动式直线步进电机,57000步进电机


  该结构最简单的方法是将丝杆副直接作为电机轴。螺杆上的螺母必须限制旋转以实现直线运动,该类型直线步进电机通常被称为外部驱动式。
  行程是一个重要考虑因素,在60~500mm行程的线性滑动系统中一般选择外部驱动式电机。这种情况下,线性滑块和螺母连接以防止螺母旋转,同时支撑负载,保证螺母不受潜在的侧向力影响。常用的导轨有线性滑动导轨和滚珠导轨两种,下图展示了不同类型的导轨结构


  图2 滑动组件线性导轨,RGS06+57000步进电机


  图3 循环滚珠导轨,BGS06+57000步进电机


  长丝杆确实会带来一些风险,最大的风险是在行程中的某些位置执行器和丝杆会产生共振,这不会影响性能但会导致明显的噪音。在某些极端情况下,噪音或振动大到使电机失步从而导致位置偏差。采用细分,设置加减速等驱动技术可降低噪音,同时在设计上采用螺杆端部加轴承支撑的方案也有助于降低噪音。
  电机和负载的安装也需要重点关注。如果电机用于驱动线性模组,将电机安装于模组的一侧不仅有利于接线方便以及螺母和滑块在导轨上往复运动,而且也利于平台高度的最小化。如果采用贯通式结构,则需要考虑电机的宽度是否可以接受,导轨的滑块高度是否会太高,因为现代工业的设计一直在寻求尺寸微型化的理念.
  二,贯通轴直线步进电机 见图4


  图4  57000贯通轴直线步进电机


  将螺母内置与电机中,丝杆可穿过电机作线性运动。该设计中丝杆需限制转动以产生线性运动。
  贯通轴(丝杆贯穿)电机通常的应用行程是30-200mm,对比外部驱动轴式电机,贯通轴电机的优势是允许更大的安装同轴度误差。线性模组的丝杆和螺母如果与导轨平行度不好,会导致系统问题产生,尽管螺母允许一定径向间隙,但对于整个模组来说,是不够的;贯通轴式电机的螺母径向间隙可以允许丝杆的倾斜度1゜以内,可以容忍更大的系统误差。
  另一个只有贯通轴电机能实现的应用是将电机作为滑动部件,与导轨滑块连接,丝杆两端固定。该应用的一个优点是丝杆不做旋转转动,因此没有临界速度的限制;第二个优点是在同一根丝杆上可安装多个电机,电机不能互相“通过”,但是其运动是互相独立的。
  如上文所指贯通轴式电机的优势是允许系统有一定的安装不同心,但它不仅仅适用于安装误差稍大的应用,同时也适用于诸如活塞泵这样的精确定位和安装的应用。螺杆自定心的设计可使其随导向适应不同心的安装,也可以避免对活塞密封件产生侧向力
  三,固定轴电机 见图5


  图5 57000固定轴式电机


  在一些无法提供螺母或螺杆防转的机械装置的应用场合,可选用第三种类型的电机。这种类型与贯通轴式电机一样螺母内置于机身,螺杆轴与花键轴连接,花键和电机前端的花键套配合防止转动,从而实现电机的线性运动。该类型电机被称为固定轴式电机。
  在短行程要求的应用,例如小于50mm,且无法提供止转装置的场合可建议使用固定轴式电机。该类型电机的优势是结构紧凑无需止转的机械装置,电机前端的花键套是模具制作,不能够承受大的侧向力,设计功能主要是限制螺杆相对于电机的转动作用。对于需要承受侧向负载的场合可用滚珠花键的设计,因为花键套的循环滚珠设计可增加固定轴式电机的侧向受载能力。
  固定轴式电机通常将电机机身安装固定,电机出轴直接推动负载(负载不与轴固定);当负载和电机轴固定连接时,需注意整个系统是否有过定位的可能。
  直线步进电机可增加不同的选项,但有些选项是仅某一种或几种电机可选。旋转编码器一般用于反馈电机是否移动了给定量,可适配与所有类型的混合式直线步进电机。


  图6 直线步进电机加编码器 21000外部驱动直线步进电机


  在一些不完全需要编码器,只需要确保电机每次在已知位置开始运动的应用场合,可以配置原点位置开关。开关可以是接触式(机械式开关)或者非接触式(近零开关)。位置开关可直接安装在固定轴式电机的后端,因为电机的行程是已知且可控的;其他类型的电机传感器则需安装在系统的其他零件上。


  图7 电机加近零传感器 28000固定轴式电机


  丝杆副传动的高效率的原因之一是丝杆和螺母间存在间隙,但是这也导致在换向时会有位置误差,为降低该误差可在外部驱动式电机上选用消间隙螺母。有许多类型的消间隙螺母可供选择,可根据具体应用时的关键指标进行选用。贯通轴式电机和固定轴式电机只有简单的压缩弹簧式消隙螺母可选,可安装的电机的任一端。